基于MSP430單片機(jī)的智能IC卡水表控制器

摘要：介紹了一種以MSP430單片機(jī)為控制核心的IC卡水表控制器的設(shè)計(jì)方案。將微控制器和4442卡技術(shù)、I2C總線技術(shù)、流量計(jì)量技術(shù)及低壓檢測(cè)技術(shù)等相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了水表管理的高效率和智能化。詳細(xì)介紹了該控制器的基本結(jié)構(gòu)及各模塊的軟硬件設(shè)計(jì)原理。樣機(jī)試驗(yàn)表明該智能水表控制器具有功能完善、計(jì)量準(zhǔn)確及通信可靠等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：IC卡水表；4442卡；I2C總線；MSP430

0 引言
    隨著IC卡應(yīng)用的普及，利用IC卡實(shí)現(xiàn)“預(yù)付費(fèi)方式”的水費(fèi)管理成為可能。目前的電子水表按照抄表的方式主要可以分為網(wǎng)絡(luò)式和分立式。由于在某些場(chǎng)合需要對(duì)舊的水表系統(tǒng)改造，如果采用網(wǎng)絡(luò)式抄表方式需要進(jìn)行抄表線路的鋪設(shè)，這給施工帶來很大的問題。而分立式的IC卡水表收費(fèi)系統(tǒng)則無需考慮這一問題，這為管理部門和用戶提供了極大的便利。

1 硬件電路設(shè)計(jì)
    本控制器以MSP430單片機(jī)為控制核心。MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)TI公司從1996年開始推向市場(chǎng)的一種16位RISC架構(gòu)、超低功耗的混合信號(hào)處理器。電源采用1．8～3．6 V低電壓、RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0．1μA，活動(dòng)模式下耗電250μA／MIPS，IO口漏電流僅為50 nA(一般單片機(jī)為1～10μA)。非常適合水、燃?xì)?、熱、電表等電池供電設(shè)備的設(shè)計(jì)。單片機(jī)系統(tǒng)圖如圖1所示。系統(tǒng)整體電路方案如圖2所示。

1．1 IC卡接口部分電路設(shè)計(jì)
    利用德國(guó)西門子SLE 4442卡與單片機(jī)進(jìn)行通信，來完成對(duì)水表的控制、用戶充值和查看水量等功能。IC卡接口電路便是IC卡與單片機(jī)連接的樞紐。本設(shè)計(jì)可兼容4442卡和T5557卡兩種卡片。電路預(yù)留了單片機(jī)與IC卡的接口。可根據(jù)設(shè)計(jì)需要靈活選擇卡片種類。SLE4442卡遵循I2C協(xié)議，讀寫時(shí)序與I2C相類似。
    一般說來，IC卡只要直接和單片機(jī)相連即可以應(yīng)用，但是為了使設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定，在IC卡與單片機(jī)之間增加一些電阻以達(dá)到保護(hù)的目的。另外IO口和卡到位檢測(cè)需要上拉電阻，以保證其可以正常操作。在水表的標(biāo)準(zhǔn)中要求水表要有防靜電的功能，所以在IC卡座的設(shè)計(jì)上，加上TVS管保證在遭受靜電后，此IC卡座仍能正常工作。
1．2 E2PROM電路的設(shè)計(jì)
    采用CAT24WC02芯片，它為2 Kb串行E2PROM，與400kHz I2C總線兼容，1．8～6．0 V工作電壓范圍，低功耗CMOS技術(shù)，具有寫保護(hù)功能，當(dāng)WP為高電平時(shí)進(jìn)入寫保護(hù)狀態(tài)。頁寫緩沖器、自定時(shí)擦寫周期為1 000 000編程／擦除周期，可保存數(shù)據(jù)100年。8腳DIPSOIC或TSSOP封裝，溫度范圍分為商業(yè)級(jí)、工業(yè)級(jí)和汽車級(jí)。本系統(tǒng)利用存儲(chǔ)芯片對(duì)水表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。E2PROM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)掉電之后不丟失，這樣就避免了由于掉電導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，可靠性較高。
1．3 電源檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
    電源檢測(cè)電路主要是用來檢測(cè)低壓，當(dāng)電源電壓過低的時(shí)候，通過低壓檢測(cè)電路檢測(cè)到，進(jìn)行相應(yīng)的操作，避免出現(xiàn)不必要的錯(cuò)誤。具體工作原理如圖3所示，當(dāng)PWR_CHECK_EN為高電平時(shí)，此電路工作，此時(shí)，Q9導(dǎo)通，Q8的基極為低電平，VBAT端一直為高電平，Q8導(dǎo)通，WR_ CHECK腳的電壓為R17和R20分壓得到。之后，PWR_CHECK端的電壓作為MSP430內(nèi)部ADC的輸入端，和1．5 V的電源相比較得到比較結(jié)果，確定是否為低壓。電容的作用是防止電壓突變引起的AD采樣錯(cuò)誤。PWR_CHECK_EN端口設(shè)置主要是為了低功耗設(shè)計(jì)，低壓檢測(cè)需要一定的時(shí)間間隔，當(dāng)不需要檢測(cè)的時(shí)候此端口置高，以節(jié)省功耗。

1．4 脈沖檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)
    MSP430F149單片機(jī)最多可以提供1路數(shù)字I／O接口，即P1～P7。MSP430單片機(jī)的I／O端口有8個(gè)管腳。每個(gè)I／O管腳都可以獨(dú)立地設(shè)置為輸入或者輸出方向，并且每個(gè)I／O接線都可以被獨(dú)立地讀取或者寫入。所有接口的寄存器都可以被獨(dú)立地置位或者清零。MSP430系列單片機(jī)具有豐富的I／O口資源和中斷資源，其中P1，P2端口是有中斷能力的。本設(shè)計(jì)中可以利用P1，P2端口的中斷能力來實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖的計(jì)量。利用中斷來完成計(jì)量有利于節(jié)省單片機(jī)資源。

    脈沖檢測(cè)電路如圖4所示。利用4個(gè)呈環(huán)形均勻分布的干簧管進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)有磁鐵靠近干簧管時(shí)，簧片吸合。此時(shí)只要將干簧管的一端接地，一端接入單片機(jī)的I／O口，將單片機(jī)的I／O口設(shè)置為中斷允許，隨著葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，基表中的磁鐵也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)過一圈之后，四個(gè)干簧管分別吸合，I／O口通過中斷來完成4個(gè)計(jì)數(shù)，這樣即可完成脈沖的計(jì)數(shù)。

2 軟件設(shè)計(jì)
    軟件主要涉及系統(tǒng)時(shí)鐘配置、IC卡與單片機(jī)通信、低壓檢測(cè)程序、E2PROM相關(guān)程序、報(bào)警程序、閥門控制程序、液晶顯示程序等，這里主要介紹脈沖檢測(cè)和通信模塊的程序設(shè)計(jì)。
2．1 脈沖檢測(cè)程序
    脈沖檢測(cè)部分是水表的重要組成部分，主要用作流量的計(jì)量，水表的整個(gè)換算體系都是以此為基礎(chǔ)的，流量汁量是衡量水表性能的重要標(biāo)志。脈沖檢測(cè)的原理是：當(dāng)有磁鐵靠近干簧管的時(shí)候，干簧管的簧片吸合。根據(jù)當(dāng)四個(gè)干簧管分別吸合一次，即表示水流過一圈(在本程序中設(shè)定當(dāng)流過五圈表示1 m3水量)，由此可以得到用水量。此時(shí)將累計(jì)用水量加1，并存入到E2PROM中。具體流程圖如圖5所示。

2．2 通信模塊程序設(shè)計(jì)
    SLE 4442卡主要包括三個(gè)存儲(chǔ)器：256×8位E2PROM型主存儲(chǔ)器(地址0～31為保護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)、32～255后24字節(jié)為應(yīng)用數(shù)據(jù)區(qū)，該區(qū)數(shù)據(jù)讀寫不受限制，擦除和寫入受加密存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)校驗(yàn)結(jié)果影響)、32×1位PROM型保護(hù)存儲(chǔ)器(一次性編程以保護(hù)主存儲(chǔ)器保護(hù)數(shù)據(jù)區(qū)，防止一些固定的標(biāo)識(shí)參數(shù)被改動(dòng)，保護(hù)存儲(chǔ)器同樣受加密存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)校驗(yàn)結(jié)果的影響)、4×8位E2PROM型加密存儲(chǔ)器。讀卡和寫卡流程如圖6和圖7所示。

3 結(jié)論
    本文討論了以MSP430單片機(jī)為控制核心的IC卡智能水表控制器的設(shè)計(jì)方案，該控制器具有水量計(jì)量、換算充值、各種異常的檢查等功能，并帶有RF和M-Bus抄表的擴(kuò)展接口。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用水收費(fèi)的電子化和智能化，改變了先用水后收費(fèi)的不合理狀況，促進(jìn)了用水計(jì)量、收費(fèi)的科學(xué)化管理。該裝置具有操作簡(jiǎn)單、低功耗、方便、可靠等特點(diǎn)，具有良好的推廣使用前景。